Nature Communications | 具有精确多向液滴滑动感知功能的仿生电子皮肤，可增强机器人触觉

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前言

关键要点

• 构建共层交织电极网络和采用跨桥连接方式，提出了自供电仿生液滴电子皮肤

• 可以全面感知液滴的二维滑动行为，模拟人体神经调控的效果

为了使智能机器人设备在常见的液滴环境中具有增强感知和自主调控的能力，需要开发能够深度全面检测液体信息的电子皮肤。目前，电子皮肤的一个技术限制是无法像人一样真实地感知液体滑动信息并及时反馈。针对这一关键挑战，本文通过构建巧妙的共层交织电极网络和采用跨桥连接方式，提出了一种自供电的仿生液滴电子皮肤。该仿生皮肤用于液滴环境侦察，将各种动态液滴滑动行为转换为基于摩擦电的电信号。更重要的是，电子皮肤可以全面感知液滴的二维滑动行为，并在指示器上实时直观地反馈。此外，该电子皮肤还实现了流向预警和漏水智能闭环控制，达到了人体神经调控的效果。这一策略弥补了电子皮肤感知液滴的局限性，大大缩小了人造电子皮肤与人体皮肤在感知功能上的差距。

本研究由东华大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所和新加坡国立大学的团队合作完成，详细内容于7月17日报道在了《自然·通讯》杂志。

自供电仿生 DES 的设计

a. 人体触觉神经系统示意图，以及用于液滴环境感知和侦察的仿生 DES 传感系统。

b. 仿生DES的详细结构。电极单元精心设计为分支结构。

c. 共层交错电极配置和立交桥连接的放大视图。

d. 仿生DES 横截面结构的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。

e. 灵活和弯曲的贴合性能。

f. 仿生DES 的理想疏水性能。。

工作机制和信号特性

a. 液滴滑动行为监测示意图。

b. DES工作机制示意图。

c~d. 液滴在DES表面滑动产生的电压和电流波形。

e~f. 液滴在DES上三个不同位置滑动的情况及对应的输出信号。

DES 灵敏度和稳定性的表征

a. 液滴参数监测示意图。

b. 测量装置示意图。

c. 不同表面角度下DES的电输出。

d~f. 不同滑动频率、体积和滴高的水滴产生的输出电压。

g. 不同液体产生的电信号。

h. iDES的连续电稳定性和长期电稳定性。

仿生 DES 的深度感知和视觉反馈

a~c. 液滴在Y方向滑动示意图、对应的双通道、多通道输出电压及轨迹图。

d~f. 液滴斜向滑动示意图、对应的输出信号及轨迹图。

g~h. 液滴环路滑动行为及电信号。

i~j. 多液滴示意图及多通道电信号。

k. 动态液滴行为监测及视觉反馈系统。

l. 液滴在Y方向滑动及轨迹图。

m. 液滴在Y方向滑动的视觉反馈。

n. 液滴在X方向滑动及轨迹图。

o. 液滴在X方向滑动的视觉反馈。

增强液滴滑动的感知和自主调节

a. 受人体皮肤启发，配备 DES 的仿生救援机器人示意图，用于检测液滴环境。

b. 液滴滑落的轨迹图和相应的方向警告。

c. 受人类神经调节启发的基于DES 的仿生传感控制系统示意图。

d. 智能餐厅中杯子泄漏的智能控制系统和闭环控制机制演示。

结论

综上所述，为提高智能机器人装置对液体物质的增强感知和自主调控能力，本文研制了一种自供电仿生DES。该DES基于摩擦电机理，通过设计同层交织电极网络和采用过桥连接技术研制而成。该方法具有两个主要优点：同层交织电极网络保证了摩擦电层表面与各电极之间电荷感应的一致性；这种电极结构避免了两串电极的重叠区域，大大降低了信号串扰。

由于DES的部件（疏水织物基底、摩擦电层和电极）均由软质材料制成，因此DES具有柔性，非常适合附着在机器人装置的非平面表面上。

基于巧妙的设计，水滴的各种复杂运动行为都可以转换成电信号，从而促进液滴运动信息的记录、传输和分析。利用这些优势，我们成功实现了利用DES检测液滴基本特征（频率、体积、高度和液体类型）和单向运动学参数（速度和加速度），特别是实现了液滴多向（二维）动态滑动轨迹的精确感知和反馈，并实现了受人类神经调控启发的液滴流向智能预警系统和液滴泄漏闭环控制系统。这种仿生DES有望大大缩小人造电子皮肤与人体皮肤在感知能力上的差距，并在军事、救援和日常生活中带来良好的应用前景。

▼参考资料

Xu, Y., Sun, Z., Bai, Z. et al. Bionic e-skin with precise multi-directional droplet sliding sensing for enhanced robotic perception. Nat Commun 15, 6022 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50270-8.

*本文仅分享医疗科技前沿进展，不代表平台利益。如涉及版权问题，请联系我们删除。

END

编译 | 刘帅

来源 | Nature Communications

审核 | 医工学人

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